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二元一次方程式

二元一次方程式是有兩個未知數、未知數次方都是 1 的方程式,例如 x + y = 10。只有一個式子時,x = 1、y = 9 或 x = 2、y = 8 都可以,有無限多組解;兩個式子聯立,例如再加上 2x + 4y = 28,就只剩 x = 6、y = 4 這一組。

解聯立方程式的想法是把其中一個未知數消掉,變成一元一次方程式。常用的方法有代入消去法和加減消去法,108 課綱把這兩種方法排在國一,是國中數學代數的重點單元。國小的雞兔同籠用二元一次方程式來解,就是直接列兩個式子。

先看重點

  • 一個二元一次方程式有無限多組解,兩個式子放在一起通常只有一組解。
  • 代入消去法:把其中一個式子寫成 y = …,再代進另一個式子。
  • 加減消去法:把某個未知數的係數變成相同或相反,兩式相減或相加。
  • 解出 x、y 後,要代回兩個式子都檢查。

二元一次方程式是什麼

二元一次方程式裡,二元是指有兩個還不知道是多少的數字,我們用 x 和 y 代表它們。一次是指這些未知數的次方都是 1,也就是沒有平方或立方。通常寫成 ax + by = c 的樣子,這裡的 a 和 b 都不能是 0。如果只有一個式子,你隨便給 x 一個數字,就能算出配對的 y,所以解有無限多組。舉例來說,x + y = 5 的解可以是 x = 0、y = 5,也可以是 x = 1、y = 4,或者是 x = 2、y = 3 等等。

如果我們把兩個二元一次方程式用大括號包在一起,要求它們同時成立,這就叫二元一次聯立方程式。當題目叫你解二元一次方程式時,通常就是指解這種聯立方程式,目的是找出那一組能讓兩個式子都變真的 x 和 y。

解法一:代入消去法

代入消去法最適合用在其中一個式子的 x 或 y 前面的數字(也就是係數)是 1 或 −1 的時候。你先把那個式子改寫成 y = … 或 x = … 的形式,然後把它代進另一個式子裡,這樣就只剩下一個未知數了。

例 1解聯立方程式 x + y = 10,2x + 4y = 28

  1. 從第一式得出 y = 10 − x
  2. 代入第二式:2x + 4(10 − x) = 28
  3. 把式子整理一下,變成 2x + 40 − 4x = 28。合併 x 之後得到 −2x = −12,兩邊同時除以 −2,算出 x = 6。
  4. 把 x = 6 代回原本的式子,算出 y = 10 − 6 = 4。
  5. 我們來檢查一下答案。先算 6 + 4 = 10,符合第一個式子。再算 2 × 6 + 4 × 4 = 12 + 16 = 28,也符合第二個式子。兩個式子都對,答案就是 x = 6,y = 4。

答:x = 6,y = 4

例 2請解這組聯立方程式:y = 2x − 1,3x + 2y = 19。

  1. 因為第一個式子已經寫成 y = … 的樣子,我們可以直接把 y 換成 2x − 1,代進第二個式子裡。這樣就變成 3x + 2(2x − 1) = 19。
  2. 把括號展開並合併同類項,得到 3x + 4x − 2 = 19。整理後是 7x = 21,所以 x = 3。
  3. 把 3 代進去算,y = 2 × 3 − 1 = 5
  4. 檢查一下:5 = 2 × 3 − 1,3 × 3 + 2 × 5 = 9 + 10 = 19,兩式都成立

答:x = 3,y = 5

解法二:加減消去法

加減消去法適合係數都不是 1 的時候。係數就是未知數前面的數字。你看哪個未知數的係數比較好處理,把兩個式子各乘上適當的數,讓這個未知數的係數變成相同或相反:相反就相加,相同就相減,這個未知數就消掉了。

例 1解聯立方程式 3x + 2y = 16,5x − 2y = 16

  1. y 的係數 2 和 −2 剛好相反,兩式相加:8x = 32
  2. x = 4
  3. 把求出的 x 值代回第一條算式:12 + 2y = 16,算出 y = 2。
  4. 檢查一下:3 × 4 + 2 × 2 = 16,5 × 4 − 2 × 2 = 16,兩條算式都對,答案正確。

答:x = 4,y = 2

例 2解聯立方程式 2x + 3y = 12,3x − 2y = 5。

  1. 要消去 y:第一式乘以 2 得 4x + 6y = 24,第二式乘以 3 得 9x − 6y = 15。
  2. 兩式相加:13x = 39,x = 3。
  3. 把求出的 x 值代回第一條算式:6 + 3y = 12,算出 y = 2。
  4. 我們來檢查一下答案對不對。把數字代進去算:2 × 3 + 3 × 2 = 12,3 × 3 − 2 × 2 = 5。兩個算式都算得通,所以答案是對的。

答:x = 3,y = 2

二元一次方程式速解:先看係數再選方法

解二元一次方程式想要又快又不容易錯,關鍵是動筆前先看係數。有係數是 1 或 −1,用代入消去法;有係數相同或相反,直接加減;兩個式子的係數剛好左右對調,可以先把兩式相加、相減,得到 x + y 和 x − y,再求 x、y。

另一個讓題目變簡單的習慣是先化簡。如果一個算式裡的每一項都有公因數(就是都能被同一個數整除),就先把它約分。例如 4x + 6y = 20,我們先除以 2,變成 2x + 3y = 10。這樣後面要算的數字就會比較小,好算很多。

例 1解聯立方程式 x + 2y = 7,2x + y = 8

  1. 係數左右對調,兩式相加:3x + 3y = 15,所以 x + y = 5
  2. 接下來把兩個算式減一減,用第二個算式減掉第一個算式:x − y = 1
  3. 把 x + y = 5 和 x − y = 1 這兩個式子上下加起來,左邊的 y 和 −y 剛好抵消,右邊 5 加 1 變成 6,所以得到 2x = 6,算出 x = 3。接著把 x = 3 代回 x + y = 5,得到 3 + y = 5,所以 y = 5 − 3 = 2。
  4. 我們來檢查一下答案。把 x = 3 和 y = 2 代入原本的式子,3 + 2 × 2 = 7,2 × 3 + 2 = 8,兩個式子都成立,代表我們算對了。

答:x = 3,y = 2

二元一次方程式公式解

把加減消去法用文字係數做一次,就能得到二元一次方程式的公式。這個公式在高中叫做克拉瑪公式,要用二階行列式來寫,國中課本不教,國中解題用代入或加減消去就夠了。這裡列出來,是方便用一般計算機算答案或對答案。

以 2x + 3y = 12、3x − 2y = 5 為例,a = 2、b = 3、c = 12、d = 3、e = −2、f = 5。分母 ae − bd = 2 × (−2) − 3 × 3 = −13,x = (12 × (−2) − 3 × 5) ÷ (−13) = −39 ÷ (−13) = 3,y = (2 × 5 − 12 × 3) ÷ (−13) = −26 ÷ (−13) = 2,和加減消去法的答案相同。

標準形式ax + by = c,dx + ey = f先把兩個式子都整理成這個樣子
x 的公式x = (ce − bf) ÷ (ae − bd)ae − bd 不能是 0
y 的公式y = (af − cd) ÷ (ae − bd)分母和 x 的公式長得一模一樣
ae − bd = 0沒有唯一的一組解兩條直線平行或重合,高中再學

二元一次方程式計算機:用一般計算機算

數學王目前還沒有專門解二元一次方程式的計算機。如果你手邊有手機或一般計算機,可以用上面的公式,照下面的步驟按,就能算出 x 和 y。

計算機最好拿來對答案,作業和考試還是要寫出代入消去或加減消去的過程。算完記得把 x、y 代回兩個原本的式子,兩個都成立才算對。

  1. 把兩個式子都整理成 ax + by = c 和 dx + ey = f,寫下 a、b、c、d、e、f,負號也要抄進去。
  2. 先算分母 ae − bd,如果是 0,代表沒有唯一的解。
  3. 先算出 ce 減 bf 的差,然後把這個差除以分母,就能得到 x 的值。
  4. 接著算出 af 減 cd 的差,再把這個差除以分母,就能得到 y 的值。
  5. 最後,把求出來的 x 和 y 代回原本的兩個式子裡,看看等號兩邊是不是相等,來檢查答案有沒有錯。

二元一次方程式應用題目

當題目裡有兩個我們不知道數量時,可以先把它們設成 x 和 y。接著從題目裡找出兩個相等的關係,就能列出兩個式子。跟只用一個未知數相比,用二元一次方程式來列式通常比較直接。

例 1籠子裡有雞和兔,總共有 35 個頭、94 隻腳,請問雞和兔各有幾隻?

  1. 先設雞有 x 隻、兔有 y 隻:x + y = 35,2x + 4y = 94
  2. 把第一個算式裡的每個數字都乘以 2,變成 2x + 2y = 70。然後用這個新算式減去第二個算式,得到 2y = 24,最後算出 y = 12。
  3. 把 y = 12 代回第一個算式,算出 x = 35 − 12 = 23。
  4. 來檢查一下答案對不對:先算 23 + 12 = 35,再算 2 × 23 + 4 × 12 = 46 + 48 = 94。

答:雞 23 隻,兔 12 隻

例 2動物園門票大人要 250 元、兒童要 150 元。有一群人共 8 人,買門票一共花了 1700 元。請問大人和兒童各幾人?

  1. 我們假設大人有 x 人、兒童有 y 人。因為總共 8 人,所以 x + y = 8。因為門票總共 1700 元,所以 250x + 150y = 1700。
  2. 從第一個算式可以想出 y = 8 − x。把這個式子代進去:250x + 150(8 − x) = 1700。
  3. 250x + 1200 − 150x = 1700,100x = 500,x = 5,y = 3
  4. 我們來檢查一下答案對不對。先加起來看:5 + 3 = 8,符合總數。再算錢:250 × 5 + 150 × 3 = 1250 + 450 = 1700,正好是總金額,所以答案正確。

答:大人 5 人,兒童 3 人

例 3一艘船順水 3 小時走 36 公里,逆水 4 小時走 32 公里,船在靜水中的速度和水流速度各是每小時幾公里?

  1. 我們設船在靜水中的速度每小時是 x 公里,水流的速度每小時是 y 公里。順著水流開時,速度會變快,是 x + y;逆著水流開時,速度會變慢,是 x − y。
  2. 根據題目,順水 3 小時走 36 公里,所以 3(x + y) = 36。逆水 4 小時走 32 公里,所以 4(x − y) = 32。把這兩個算式簡化一下,就變成 x + y = 12,還有 x − y = 8。
  3. 兩式相加:2x = 20,x = 10;y = 12 − 10 = 2
  4. 檢查一下:順水行船 3 小時 × 12 公里/小時 = 36 公里,逆水行船 4 小時 × 8 公里/小時 = 32 公里

答:船速每小時 10 公里,水速每小時 2 公里

二元一次方程式圖形:兩條直線的交點

在直角坐標平面上,把一個二元一次方程式所有的解畫出來,會連成一條直線,所以 ax + by = c 的圖形就是直線。例如 x + y = 5 這條線會經過 (0, 5)、(1, 4)、(5, 0) 這三個點;x − y = 1 這條線則會經過 (1, 0)、(3, 2)、(6, 5) 這三個點。

聯立方程式的解要同時讓兩個式子都成立,意思就是這個點要同時在兩條直線上,所以解就是兩條直線相交的那個點。圖中兩條線交在 (3, 2),代表 x = 3、y = 2。把數字代回去檢查:3 + 2 = 5,3 − 2 = 1。另外,y = c 的圖形是橫著的水平線,x = c 的圖形是直直上下的鉛垂線。

在國中階段,我們主要處理兩條直線相交在一點的情形。不過兩條直線也可能像鐵軌一樣平行,例如 x + y = 2 和 x + y = 6,它們永遠不會碰在一起,所以沒有交點,聯立方程式就無解;也可能兩條線完全重疊在一起,例如 x + y = 2 和 2x + 2y = 4,這時候有無限多組解,這兩種情形要等到高中才會詳細學。

xy12345671234560(3, 2)x + y = 5x − y = 1
x + y = 5(實線)和 x − y = 1(虛線)交在 (3, 2),這個交點就是聯立方程式的解

相關主題

要學二元一次方程式,得先會一元一次方程式的移項和驗算。解出來的 x、y 常常是負數,如果忘記了,可以複習一下負數。直線和坐標平面的觀念,後面還會連接到二次函數的拋物線。

  • 一元一次方程式:當你把其中一個未知數消掉以後,剩下的題目就變成解一元一次方程式了。
  • 雞兔同籠:在國小我們用假設法來解,到了國中就可以直接列出二元一次聯立方程式。
  • 一元二次方程式:這是國二學的內容,指的是未知數有被平方的方程式。
  • 國一數學:這是把國一整個學年學過的單元整理在一起。

常見問題

二元一次方程式怎麼解?

你可以用代入消去法或加減消去法,把其中一個未知數消掉,讓它變成一元一次方程式。解出一個未知數後,把它代回去求另一個,最後把兩個答案代回原本的兩個式子檢查一下。

代入消去法和加減消去法要用哪一個?

如果有係數是 1 或 −1 時,用代入消去法比較快;如果係數都不是 1,或者某個未知數的係數相同、相反時,用加減消去法比較快。兩種方法算出來的答案一定是一樣的。

二元一次方程式有公式解嗎?

有。ax + by = c、dx + ey = f 的解是 x = (ce − bf) ÷ (ae − bd)、y = (af − cd) ÷ (ae − bd),ae − bd 不能是 0。這是高中才學的克拉瑪公式,國中課本不教。

二元一次方程式的圖形是什麼?

在坐標平面上,每個二元一次方程式都畫出來是一條直線。當我們把兩個方程式放在一起解的時候,答案就是這兩條直線交叉的那個點。

延伸學習